Американские физики совместно с коллегами из коллаборации MINERvA обстреляли водородную мишень с помощью пучков мюонных антинейтрино и таким образом впервые измерили аксиально-векторный форм-фактор протона. Поглощая антинейтрино, протон превращался в нейтрон и антимюон, что фиксировали детекторы. Таким образом ученые выяснили, что среднеквадратичный аксиально-зарядовый радиус протона равен 0,73 фемтометра. Исследование опубликовано в Nature.
Устройство протона — главного «кирпичика» окружающей нас материи — до сих пор весьма интересует физиков. Его изучение сопряжено с трудностями, поскольку размер протона не превышает фемтометра и напрямую увидеть его составные части, кварки и глюоны, невозможно.
Поэтому физики рассеивают на протоне различные частицы. Выбор у них большой, поскольку протон участвует во всех фундаментальных взаимодействиях. То, под какими углами разлетаются частицы и теряют или приобретают импульс, связано с распределением зарядов (электрических, слабых, ароматных и массы) с помощью соответствующих функций — форм-факторов (они же факторы рассеяния). Например, облучение водородных мишеней электронами позволяет извлекать информацию об электромагнитном форм-факторе, а высокоэнергетическими гамма-квантами — о массовом форм-факторе (результаты этих экспериментов периодически входят в противоречие с другими, о чем мы подробно рассказывали в материале «Щель в доспехах»).
Чтобы исследовать распределение слабых токов и зарядов внутри протона, ученые подвергают их воздействию пучков нейтрино (эти частицы участвуют только в слабом взаимодействии). На пути нейтринных пучков устанавливают мишени из легких атомов — обычно пузырьки с дейтерием — и фиксируют превращение нуклонов. Проблема такого подхода в том, что интерпретация результатов требует знания о ядерной структуре, что привносит большие неопределенности. Ситуацию могли бы исправить эксперименты с водородом, но успехи в этом направлении крайне скромные.
Группа физиков из Университета Рочестера под руководством Кевина Макфарланда (Kevin McFarland), объединившись с коллегами из коллаборации MINERvA в Фермилабе, исследовала рассеяние мюонных антинейтрино на водородной мишени, которое сопровождалось превращением протона в пару антимюон-нейтрон. Это позволило им определить аксиально-векторный форм-фактор протона, а затем извлечь из него аксиально-зарядовый радиус этой частицы.
Детектор MINERvA вместе с детектором MINOS MD позволяют фиксировать продукты взаимодействия мюонных антинейтрино со средней энергией 5,4 гигаэлектронвольта с мишенью. В этом эксперименте физики облучали потоком антинейтрино камеру с водородными пузырями. Такой подход хорош еще и тем, что превращение протона в нейтрон под действием антинейтрино — это двухчастичная реакция. Если пренебречь кинетикой атома водорода и электрона, реакция определяется только направлением налетающего антинейтрино и полным импульсом антимюона, который возникает в результате взаимодействия антинейтрино с протоном. Это хорошо, поскольку прямое измерение импульса нейтронов в эксперименте затруднено. Тем не менее, авторы детектировали и их возникновение тоже, чтобы отсеивать кандидаты в события.
Превращение протона в антимюон и нейтрон под действием антинейтрино относится к взаимодействиям заряженных токов, переносимых с помощью W-бозонов. Сечение рассеяния при этом зависит от аксиально-векторного, векторного и псевдоскалярного форм-факторов. Последний из них оказывается подавлен масштабами масс, а значение второго авторы использовали в своих расчетах, подставляя данные из предыдущих экспериментов по электронному рассеянию. Пользуясь этим, авторы извлекли из своих экспериментальных данных о рассеянии антимюона аксиально-векторный форм-фактор протона. Аппроксимация форм-фактора в область малых импульсов с аксиальной массой, равной 1,014 гигаэлектронвольта на квадрат скорости света, позволила вычислить соответствующий среднеквадратичный радиус протона — он оказался равен 0,73±0,17 фемтометра.
В Фермилабе, помимо источника антинейтрино, которым пользовались ученые для измерения радиуса протона, есть источник мюонных нейтрино. Недавно мы рассказывали, как коллаборация MicroBooNe использовала его, чтобы искать стерильные нейтрино.